Blog

GRUPO DE ESTUDO EM EFICIÊNCIA ENERGÉTICA REDUZINDO PERDAS NO SISTEMA DE TRANSMISSAO DE ENERGIA RESUMO Estima-se que a malha de transmissão brasileira em 2008 é de aproximadamente 130 mil quilômetros. Cerca de 80% deste sistema de transmissão utiliza cabos de alumínio com alma de aço, padrão conhecid condutividade elétric portanto uma tendê passem a usar 100% PALAVRAS-CHAVE PACE 1 to view o possui uma menor mínio, sendo, de transmssão Nanotubos de Carbono, Linhas de Transmissão de Energia, Condutividade, Resistência Elétrica.

INTRODUÇÃO No Brasil, a maior parte da produção de energia elétrica provém as usinas hidrelétricas. A energia produzida nestas usinas é usualmente conduzida até uma subestação de transmissão, onde transformadores elevam a tensão para uma faixa entre 69kV a 750kV, visando reduzir as perdas nas linhas de longas distâncias. Cada torre, ver Figura 1, possui usualmente três cabos por circuito, sendo um para cada fase de tensão, além de cabos aterrados.

Estas linhas de transmissão de alta tensão levam a uma menor condutividade elétrica que cabos 100% de alumínio, sendo, portanto uma tendência natural que as linhas de transmissão passem a usar 100% alumínio no futuro. As ligas EC5201 e a termo-resistente T-CA hoje se encontram entre as melhores candidatas para substituição das CAA’s, pois apresentam maior confiabilidade, devido à resistência mecânica, e melhor condutividade elétrica.

No entanto, mesmo as melhores ligas de alumínio têm sua condutividade limitada, principalmente quando exposta a elevadas temperaturas (conseqüência natural do efeito Joule), o que vem a ser um grande problema. Essa limitação abre campo para novas alternativas, como a utilização de nanotecnologia para melhoramento dessas propriedades. HISTORIA DO CARBONO Materiais formados por carbono (grafite e diamante) são conhecidos desde a antiguidade, apresentam propriedades físicas bastante interessantes, e são usados em várias aplicações tecnológicas.

Nos últimos 20 anos, foram descobertas novas estruturas de carbono de tamanho nanométrico, Em 1991, utilizando um microscópio de transmissão eletrônica o Dr. Sumio lijima descobriu dentro do eletrodo de carbono depois da descarga em arco, o nano-tubo de carbono, um novo material de carbono. Em especial os nanotubos de carbono, apresentando novas propriedades físicas, aumentando o leque de aplicações os materiais de carbono.

Há apenas pouco mais de três anos, conseguiu-se isolar uma única folha de grafite, chamada grafeno, e demonstrou-se que os elétrons no grafeno possuem propriedades muito interessantes, sendo descritos com férmions de Dirac. 12 Os nanotubos de carbono (CNTS – Carbon NanoTubeS ou NTC NanoTubo de Carbono), ver Figura 2, foram observados pela primeira vez há pelo menos 30 anos, mas apenas na última década essas nanoestruturas se tomaram focos de relevantes estudos na literatura. que têm como objetivo principal entender e explorar as propriedades únicas desse importante alótropo do arbono. PiC] FIGURA 2 – Nanotubos de Carbonos Com Formação de Hemi- Fulerenos nas suas Extremidades Dlversos estudos têm se focado nas propriedades dos CNTs, alguns utilizando técnicas experimentais e outros utilizando simulações computacionais, devido à alta complexidade nas medições de algumas propriedades em nanoestruturas, como resistência mecânica à tração ou compressão. Destes trabalhos, uma propriedade potencialmente interessante dos nanotubos é a excelente condutividade elétrica destes (menos de 1061/ Ohm. m), e a observável diminuição desta condutividade om aumento da temperatura. Esta diminuição é c oposto do observado para materiais metállcos, o que é resultado de um mecanismo de transmissão eletrônica diferenciado, abrindo uma nova perspectiva da ampliação da condutividade de ligas metálicas, em particular em altas temperaturas. Uma possivel forma de exploração dessas propriedades é a aplicação de filmes finos de NTCs na superfície de materiais metálicos.

Esses filmes poderiam conferir as propriedades dos nanotubos para o material base, podendo ser explorados em dispositivos de emissão, suporte de catalisadores, eletrodos de lta área de superfície para celulas combustlVel, capacitores e condutores eletrônicos de alto desempenho. 2. 2 Como Abaixar a Conditividade do Cabo 19 Conditividade do Cabo Uma das técnicas utilizada e a Deposição Eletroforética de nanotubos de carbono, essa e uma das técnicas mais economicamente viáveis e eficientes para aplicação e controle de filmes de CNTs eventualmente chamada de EPO – Electrophoretic Deposition.

Nesse processo, os nanotubos são dispersos em um solvente e um campo elétrico é aplicado à suspensão entre dois eletrodos, ver Figura 3: sendo um deles o substrato onde. se eseja fazer o depósito de nanotubos. Como os nanotubos estão carregados eletricamente, há migração e deposição destes no substrato (eletrodo de carga oposta). Os campos elétricos aplicados são usualmente balxos em meios aquosos, sendo a corrente elétrica também baixa, o que confere custos razoáveis de aplicação do processo.

Medidas de Condutividade elétrica em diferentes fios evidenciando o aumento de condutividade elétrica obtido pela camada de nanotubos de carbono, ver Tabela 1 Tabela 1: Condutividade MATERIAL DO FIO ELETRICO CONDUTIVIDADE (1 /OHM. mm) IALUMINIO IALUMINIO + NTC IACO 26,3 (+- 145,3 (+- 122,5 (+- Figura 3 – Representação Es uemática do Processo de Deposição Eletroforética de NTC em depositado, os fios de alumínio apresentamriam uma condutividade mais elevada com relação ao material convencional e esta não seriam afetadas pelo aumento da temperatura devido ao mecanismo de condução dos nanotubos.

Como nos circultos de distribuição as perdas de energia mais significativas são provoca das pelo efeito Joule, devido à passagem de corrente elétrica nos condutores, a redução dessas perdas pode ser conseguida por meio da elevação da capacidade de condução létrica do material utilizado.

Para tornar o produto economicamente viável, a técnica de aplicação dos nanotubos de carbono e a camada realmente necessária foram cuidadosamente estudadas de maneira que, após a avaliação do custo relativo da fabricação industnal, apontamos uma a ta potencialidade de aplicação, aumentando o mercado de aplicação de ligas de alumínio para cabos elétricos. 2. 2. 2..

Do ponto de vista ambiental Sendo os cabos de alumínio com nanotubos melhores condutores, a economia de energia elétrica e a promoção da utilização de cabos de alumínio nas linhas de transmissão, urgem como objetivos complementares do trabalho. Isto é, o uso de almas de alumínio em cabos de transmissão requer máquinas menores e mais econômicas para transporte e instalação devido à sua baixa densidade se comparado com o aço, reduzindo assim a emissão dos motores que afetam a qualidade de ar e causam mudanças climáticas. . 3 Resultado e Discusao a) Deposição Eletroforética dos Nanotubos de Carbono Após a preparação de uma mistura dos nanotubos em água, foi realizada a deposição dos NTC nos fios de alumínio utilizando o aparato descrito na Figura 4. Imagens da deposição dos anotubos de carbono na su erficie dos fios de alumínio são mostradas na Figura 5. Ob deposição dos nanotubos de carbono na superfície dos fios de aluminio são mostradas na Figura 5.

Observa-se uma cobertura efetiva da superfície ao alumínio, com os nanotubos aderidos como “raízes”. Essa adesão garante que as propriedades dos nanotubos estariam sendo transmitidas para o fio metálico como esperado. A espessura do fio pode ser estimada em apenas cerca de 90nm, o que seriam dois nanotubos empilhados no depósito. Apesar de a superfície parecer rugosa devido a presença dos anotubos, em uma observação macroscópica não é evidenciada a presença de um filme expressivo, não afetando propriedades macroscópicas do fio. pic] Figura 4 – Representação Esquemática do Sistema de Deposição Eletroforética de NTC Utilizado para Deposição nos fios de Alumínio em Laboratório Figura 5 – Representação Esquemática da Produção de Fios de Aluminio com Sugestão de Onde Acoplar a Etapa de Deposição Eletroforética de NTC Tabela 2 – Dados dos Cabos Elétricos Comerciais Utilizados no Sistema de Transmissão De fato o filme aplicado de NTC pode ser removido através de aspagem.

Para assegurar sua permanência durante a operação, recomendamos a aplicação de uma resina (verniz) sobre os fios para evitar a deterioração do nanofilme. b) Medidas Elétricas A propriedade mais relevante do trato de sistemas de transmissão de energia e e elétrica do material. PAGF observa-se que a condutividade do alumínio contendo o filme de NTC (Alumínio + NTC) e de 170% maior que aquela medida para os fios de alumínio puro.

Esse aumento de condutividade elétrica mostra o sucesso da aplicação dos NTC para aumento do desempenho de fios de transmissão. Ademais cabe notar que, como esperado, tanto a condutividade do alumínio como para o Alumínio + NTC são maiores que aquela medida para o aço, que é a alma condutora de cabos de transmissão atuais. Com o dado de condutividade elétrica do composto Alumínio + NTC é possível fazer uma estimativa do ganho do uso deste novo tipo de dispositivo na transmissão de energia elétrica.

O cabo atualmente usado para transmissão de energia em 88kV e 250A é o Grosbeak 536MCM, que apresenta resistividade elétrica de 0,08830hrTl/km. Considerando a energia de transmissão usual (88kV com 250A de orrente), as perdas por efeito Joule para os fios convencionais de aço (Tabela 2) usados em linhas de transmissão (636) pode ser estimada em 5,5kW/km. Se fossem substituídos por fios de alumínio comerciais (1/10) (Tabela 2), esta perda seria estimada em apenas 3,3kW/km.

Deste modo, a simples substituição de fios de aço por alumínio 100% já traria uma economia Slgniflcatlva pela redução das perdas. Quando anallsamos a possibilidade de aplicação dos fios de alumínio recobertos com nanotubos, esta perda cai para 1,97kW/km, isto é, uma redução de aproximadamente 65% na perda. Este dado é resultado o aumento significativo da condutividade do fio contendo nanotubos, que pode ser estimada em 4601061/Wm para um fio de mesmas dimensões que o atual cabo 636, cuja condutividade é 168106 1/wrn. 2. 3. 1. Aplicacao em Escala Industrial.

Analisando os resultados promissores no aumento d Analisando os resultados promissores no aumento da condução eletrônica a partir da criação de uma nanocamada de nanotubos de carbono na superfície de fios elétricos de alumínio, pensa-se na possibilidade de aplicação do processo em escala industrial. Em verdade, o método EPO pode ser considerado um método e fácil introdução em ambiente industrial. Como descrito anteriormente, o fio deve ser carregado positivamente e ser mergulhado em uma suspensão onde os nanotubos estarão carregados negativamente.

Assim, há migração e deposição espontânea dos nanotubos para á superfície dos fios. Durante a fabricação de fios e cabos de alumínio, uma barra é laminada até redução de seu perfil no ponto onde pode ser trefilada para tomar-se cilíndrica, e assim trefilada para atingir os diâmetros de fios elétricos desejados. A Figura 4 mostra esquematicamente um processo de obtenção de fios a partir de arras de alumínio. Após a trefilação final, o fio pode passar por um recobrimento polimérico para evitar a formação de óxido superficial, ou simplesmente ser enrolado em bobinas para comercialização.

A etapa de incorporação dos nanotubos de carbono poderia ser feita após a última trefilação e anteriormente a aplicação do recobrimento polimérico. Ou seja, ao longo do processo contínuo, o fio deveria ser mergulhado em uma suspensão de nanotubos de carbono contida em um cilindro. Este cilindro metálico seria carregado negativamente, enquanto uma carga positiva seria plicada no fio. Como a tensão e correntes de deposição são baixas, o custo energético seria baixo, tornando o processo interessante do ponto de vista de operacionalização.

De fato, o problema associado à introdução dos nanotubos PAGF 19 de operacionalização. nos fios de alumínio é o custo dos nanotubos em si – aproximadamente, CJS$280. Em uma análise prméria do custo de uma camada de nanotubos de carbono em fios de alumínio pode- se estimar um aumento de custo de R$3 por metro de fio obtido. Esse valor pode parecer alto, mas apesar da perda no custo ecnológico, o ganho na diminuição da perda de energia elétrica com a utilização destes fios recobertos na transmissão de energia em longas distâncias compensaria com saldo positivo o custo de fabricação. . 3. 2. Algumas Aplicacoes das Nanoparticulas a. Na Industria Cosmética como Protetores Solares e Cosméticos: Nanopartículas de dióxido de titânio e óxido de zinco são usados em alguns protetores solares, ver Figura 6. Eles refletem os raios ultravioletas (UV) e são transparentes à luz visível, sendo mais atrativos aos consumidores. Figura 5 – protetor Solar b. Na Industria Têxtil como Tecidos Impermeáveis: A empresa americana Nano-Tex LLC desenvolve calças com um tecido especial que repele água.

O tecido é produzido com milhões de microscópicas substâncias que aderem às fibras de cotton e efetivamente repelem rapidamente o líquido sem deixar nenhum vestígio, ver figura 7. Figura 7 – Tecido Impermeável As partículas são criadas mani ulando alguns átomos de carbono até chegar a forma deseja proximadamente 10nm para Carros Nanopart(culas de argila ocorrem naturalmente e tem sido muito importante em materiais de construção. Partículas de argila odificadas, contendo plástlcos e nanoflocos de argila estão sendo aplicados na construção de armotecedores de carros mais resistentes. d.

Na industria da Construção Civil como Janelas Auto-limpantes e Tintas um material que recobre o vidro foi desenvolvido pela empresa Activglass e tem a função de autolimpar a janela, ver Figura 8. O material que recobre o vidro é ativado pelos raios ultravioleta e quebram as moléculas orgânicas e diminuem a aderência da sujeira inorgânica. Com isso a sujeira é carregada pela chuva. Figura 8 – Janelas Auto-limpantes O uso de nanoparticulas em tintas pode trazer enormes enefícios, entre eles: tintas mais brilhantes, masi leves, com menos solventes, ecologicamente mais seguras e, até mesmo, ante arranhões. . Na industria Eletro-Eletronica como Baterias, Capacitores e Chips de computadores: Com o grande aumento no número de equipamentos portáteis (telefones celulares, GPS, computadores, sensores remotos) há um aumento na necessidade do desenvolvimento de baterias mais leves e com mais capacidade de energia, ver Figura 9. Materiais nanocristalinos sintetizados por técnicas sol-gel são os candidatos mais promissores odendo armazenar bem mais energia do que as bateria